石油庫(kù)信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)

吳 學(xué)

〔中國(guó)石化廣西石油分公司 廣西百色 533000〕

1 信息系統(tǒng)防雷的現(xiàn)狀

隨著石油庫(kù)科技化、信息化成果的逐步引入，大量的電子設(shè)備開(kāi)始介入油庫(kù)的日常管理，例如油罐液位計(jì)量、溫度計(jì)量、自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警、工業(yè)電視監(jiān)控、高低液位聯(lián)鎖等系統(tǒng)。隨著信息應(yīng)用的越來(lái)越普遍，伴隨而來(lái)的是電子設(shè)備、傳感器雷擊事故的不斷發(fā)生，溫度變送器、液位變送器、視頻監(jiān)控頭、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、敏感檢測(cè)元件等經(jīng)常發(fā)生被雷電擊壞事件，極大地影響到石油庫(kù)的日常生產(chǎn)運(yùn)行，還帶來(lái)了因數(shù)據(jù)丟失和故障可能引發(fā)的事故隱患。然而目前大部分油庫(kù)在防雷方面的保護(hù)工作僅停留在防范直擊雷方面，防范的主要方式為避雷針、避雷帶、以油罐作為接閃器等，這些防雷保護(hù)主要是以通過(guò)“引火燒身”的形式達(dá)到保護(hù)的目的，但是這樣的方式帶來(lái)許多負(fù)面效應(yīng)，主要體現(xiàn)在增加雷擊概率、感應(yīng)雷和地電位反擊。這些負(fù)面效應(yīng)給信息系統(tǒng)帶來(lái)很大的安全威脅。加之新投用信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)措施尚有缺失，或者只是局部簡(jiǎn)單地設(shè)置防雷零散部件，未對(duì)信息系統(tǒng)進(jìn)行整體防雷保護(hù)，尤其是針對(duì)感應(yīng)雷、電磁脈沖、過(guò)電壓的防護(hù)。雷擊過(guò)后的直接后果就是信息系統(tǒng)不能正常使用，甚至一擊即毀，大面積設(shè)備停擺。

近些年發(fā)生的案例給人們敲響了警鐘。例如1998年4月某日夜間，某管道輸油站儀表微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)遭受雷擊，電子設(shè)備損害造成直接經(jīng)濟(jì)損失65萬(wàn)元；2000年昆明某油庫(kù)發(fā)油臺(tái)遭受雷擊，80 %的裝車控制儀主板損毀，整個(gè)發(fā)油系統(tǒng)癱瘓；2008年廣東某油庫(kù)供油自動(dòng)化系統(tǒng)遭受雷擊，油罐液位測(cè)量系統(tǒng)和大量計(jì)算機(jī)主要元件被擊穿，直接經(jīng)濟(jì)損失50多萬(wàn)元；2011年湖南某油庫(kù)辦公樓及自控室遭受強(qiáng)雷擊，導(dǎo)致自控室大部分電腦設(shè)備及PLC柜大量元件被擊毀，整套管理系統(tǒng)直接癱瘓，修復(fù)周期長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多月，直接經(jīng)濟(jì)損失80多萬(wàn)元。全國(guó)類似案例舉不勝舉[1]。

隨著石油庫(kù)自動(dòng)化水平的提高，對(duì)信息系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求越來(lái)越高，如何做好信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)尤為重要。

2 雷電對(duì)信息系統(tǒng)的傷害

2.1 雷電分析

雷電按作用方式主要分為直擊雷和感應(yīng)雷。

(1)直擊雷。指雷云直接通過(guò)人體、建筑物及設(shè)備等對(duì)地放電所產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象。此類雷擊破壞力主要體現(xiàn)在電流特性，使人體灼燒、建筑燃燒、設(shè)備部件熔化。一般防范直擊雷的方式主要通過(guò)避雷裝置接閃器譬如避雷針、避雷帶、接地網(wǎng)、引下線將電流泄入大地[2]。目前在石油庫(kù)建設(shè)過(guò)程中，對(duì)直擊雷防護(hù)較為重視，而接閃器、引下線、接地帶等接地裝置的導(dǎo)通只能保護(hù)建筑物本身，雷擊產(chǎn)生的電流還會(huì)通過(guò)多種形式破壞電子設(shè)備[3]。

(2)感應(yīng)雷。在雷電閃擊或雷云之間放電時(shí)，由于雷電流的變化率大，在雷電流的通道附近形成了一個(gè)很強(qiáng)的感應(yīng)電磁場(chǎng)，對(duì)建筑物內(nèi)的電子設(shè)備造成干擾、破壞，或使周圍的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生大量的熱而引起火災(zāi)。感應(yīng)雷又可分為靜電感應(yīng)雷和電磁感應(yīng)雷。感應(yīng)雷沒(méi)有直擊雷猛烈，但是發(fā)生的機(jī)率要高很多。直擊雷只能襲擊小范圍的目標(biāo)，但感應(yīng)雷能通過(guò)周圍的電力線、電話線、網(wǎng)絡(luò)線等傳輸，使危害面積擴(kuò)大。

信息系統(tǒng)的雷電災(zāi)害主要就是由感應(yīng)雷造成的。

2.2 傷害分析

首先需要了解雷擊造成傷害或損失的途徑。直擊雷在對(duì)地放電的過(guò)程產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電流。雷電流通過(guò)人體、建筑物、設(shè)備時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅繜崮?，?jù)專家估算，雷擊點(diǎn)的發(fā)熱量約為500～2 000 J，該熱能可融化50～200 mm3的鋼材。因此在遭受雷擊時(shí)雷電流從導(dǎo)線傳送到設(shè)備，在強(qiáng)烈的雷電沖擊波下遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出半導(dǎo)體等電路的負(fù)荷能力，形成強(qiáng)大的破壞力。

感應(yīng)雷的傷害途徑有別于直擊雷，但是造成的損害卻高居榜首，占全部災(zāi)害損失的33.8 %。感應(yīng)雷的形成主要是利用雷電流的變化形成強(qiáng)大的脈沖磁場(chǎng)，使附近的金屬構(gòu)件產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流可順著導(dǎo)體四處傳播，在這種沖擊下對(duì)大面積設(shè)備造成不同程度的損壞，更有可能發(fā)生放電，若附近有可燃物將會(huì)引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。

隨著石油庫(kù)微電子設(shè)備的日益增多，自動(dòng)化程度越高，感應(yīng)雷的破壞力越加凸顯，必須引起高度重視。

2.3 信息系統(tǒng)分析

石油庫(kù)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展增速明顯加快?，F(xiàn)代電子技術(shù)正在走向集成化，向高精度、高靈敏度、高頻率和高可靠性方向發(fā)展。為了滿足日益提高的需求，電子設(shè)備的靈敏度將越來(lái)越高，伴隨的是耐壓能力很低。一般的電子設(shè)備都承受不了±5 V的電壓波動(dòng)。以計(jì)算機(jī)為例，當(dāng)雷電電磁脈沖的磁極強(qiáng)度超過(guò)0.07 Gs時(shí)，就會(huì)引起誤動(dòng)作，當(dāng)磁極強(qiáng)度超過(guò)2.4 Gs時(shí)，就會(huì)造成微機(jī)的永久性破壞，故一旦遭受感應(yīng)雷襲擊，損失必然很大[3]。

目前油庫(kù)信息系統(tǒng)主要包含自動(dòng)化付油、高低液位計(jì)量、工藝閥門控制、高低聯(lián)鎖安全聯(lián)鎖、周界報(bào)警、視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、可燃?xì)怏w報(bào)警、壓力檢測(cè)、UPS不間斷電源管理、消防自動(dòng)控制、油氣回收等各類系統(tǒng)，均匯集了大量的微電子元件，并且要求精準(zhǔn)度較高，在油庫(kù)內(nèi)分布較廣，覆蓋到油庫(kù)各大重點(diǎn)要害部位。

自動(dòng)化管理系統(tǒng)的引入一定程度上降低了員工的工作強(qiáng)度，但是一旦遭到損壞后果將更加嚴(yán)重，甚至整個(gè)油庫(kù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)功能失效，陷入癱瘓。如何提高信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性是需要深入研究的課題，目前雷擊造成信息系統(tǒng)損壞的比重相當(dāng)大。

3 信息系統(tǒng)防雷的主要措施

3.1 信息防雷保護(hù)的選擇

認(rèn)識(shí)到信息系統(tǒng)防雷的重要性，就必須掌握如何進(jìn)行有效的防雷保護(hù)。

由于感應(yīng)雷的特殊性，雷害的治理措施必須通過(guò)多方面綜合地進(jìn)行防治。這里重點(diǎn)介紹目前國(guó)際上比較成熟的DBSE技術(shù)，即分流(Dividing)、均壓(Bonding)、屏蔽(Shielding)、接地(Earthing)四項(xiàng)技術(shù)。只有通過(guò)綜合運(yùn)用這四項(xiàng)技術(shù)才能真正達(dá)到信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)[4]。

按照DBSE技術(shù)架構(gòu)綜合防雷系統(tǒng)，必須有兩大部分組成，即外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施。外部防雷措施主要為接閃器、引下線、屏蔽、接地裝置，內(nèi)部防雷措施主要是安裝電涌保護(hù)器(SPD)、合理布線、等電位連接。綜合防雷系統(tǒng)很關(guān)鍵的一條就是必須采用共用接地系統(tǒng)。

3.2 信息防雷保護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建

信息系統(tǒng)防雷保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)建及針對(duì)性措施整體包括以下要點(diǎn)：

(1)防直擊雷。保持現(xiàn)狀的防范措施，并確保有效。主要采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)作為接閃器，然后通過(guò)良好的接地網(wǎng)絡(luò)迅速將雷電流泄入大地。

(2)防感應(yīng)雷。建立全方位防雷保護(hù)，由四個(gè)部分構(gòu)成。

其一，電源防雷。保證配電部分三級(jí)防雷保護(hù)，第一級(jí)防護(hù)在電源總配電室內(nèi)的進(jìn)線配電柜上或主配電盤上。第二級(jí)防護(hù)主要安裝在設(shè)備專用配電柜上。第三級(jí)防雷設(shè)置在用電設(shè)備的電源端，用于保護(hù)最終設(shè)備。

其二，信號(hào)防雷。采用信號(hào)避雷器防雷串聯(lián)或并聯(lián)在通信線路上，要取得良好的效果關(guān)鍵要選擇合適的通信避雷器，可以根據(jù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊線路的類型、通信頻帶、線路電平等進(jìn)行配備。

其三，等電位連接。確保周邊金屬構(gòu)件在雷擊情況下產(chǎn)生感應(yīng)電磁，最大限度地降低防雷區(qū)域內(nèi)金屬構(gòu)件相互間的電位差。等電位連接技術(shù)要求：防雷區(qū)域內(nèi)建筑物的金屬構(gòu)件、設(shè)備金屬外殼、電纜的金屬外皮、金屬管線的橋接必須與接地系統(tǒng)進(jìn)行良好連接。

其四，重復(fù)接地及金屬屏蔽。首先在鋪設(shè)線纜和套管過(guò)程中，要盡量避免架空鋪設(shè)、高位鋪設(shè)，首選采用埋地電纜并用金屬套管進(jìn)行屏蔽，金屬套管在進(jìn)入機(jī)房前重復(fù)接地，降低線纜上引入雷電高壓[1]。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，石油庫(kù)屬于高危險(xiǎn)區(qū)域，防范雷電襲擊是投資建設(shè)或隱患改造的重點(diǎn)之一，在不斷提高油庫(kù)自動(dòng)化水平的同時(shí)，更要合理地設(shè)計(jì)和完善石油庫(kù)的信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)方案，構(gòu)建綜合防雷保護(hù)系統(tǒng)。必須清醒地認(rèn)識(shí)到信息系統(tǒng)自身的脆弱性及其穩(wěn)定的重要性，深入分析防雷系統(tǒng)的完善的空間，通過(guò)技術(shù)革新，提高防雷保護(hù)的實(shí)效。